衰老带来视觉感知方面的巨大变化

老年人可能难以看到某些错觉,这为衰老的大脑提供了线索

衰老会导致视觉感知的显著变化,即使在没有痴呆症或眼疾的健康人中也是如此。因此,许多人在年老时难以进行简单的日常活动,例如安全驾驶、在不平坦的地面上行走或上下楼梯。不幸的是,人们对与年龄相关的感知缺陷的潜在机制知之甚少。很少有研究调查成年期,特别是老年人发生的各种感知变化,更少有研究将这些变化与大脑功能和眼球运动联系起来。

但是,视觉错觉已开始在该领域提供一些重要的见解。因为我们知道特定的眼部或大脑机制介导某些错觉,所以我们对它们的感知如何随着年龄的增长而改变,为衰老如何影响相关的大脑细胞群提供了线索。这些转变也清楚地表明,错觉的存在不仅仅是进化中的意外或错误。错觉是我们感知的一部分,并且它们随着年龄的增长而退化——我们要明确的是,这使得观察者以更准确和更少错觉的方式看待世界——表明错觉感知的某些方面可能增强了生存能力。随着大脑功能在衰老中下降,这种优势变得不那么重要。

其他类型的视觉障碍可以帮助我们了解衰老大脑中的神经退行性变。然而,错觉可能比其他视觉生物标志物更突出,因为年长的视觉科学家——他们自己是错觉感知方面的专家——当他们自己的观察与年轻的实验测试对象的观察不符时,会非常清楚地意识到这一点。背痛、失去跑八分钟一英里的能力或难以记住电话号码是一回事。这些问题都很烦人。但是,当一个惊人的新错觉对你的大脑不起作用时——尤其是在你所有年轻的同事都兴高采烈的时候——这简直令人不安。这肯定会集中注意力,让那些神经科学家怀疑他们是否可能正在慢慢失去理智。


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洛塔尔·斯皮尔曼目前是台湾国立大学的访问教授,就是一个例子。斯皮尔曼职业生涯的大部分时间都在弗莱堡大学度过。然后他年满 65 岁——这是德国大学系统的强制退休年龄——他不得不远走他乡,在国外继续就业。现年 77 岁的他仍然是一位高产的科学家,并担任感知科学的国际老前辈。

作为他所在领域的全球领导者,斯皮尔曼发现了一些重要的错觉,包括 Ouchi-Spillmann 错觉,它产生了一种运动效果,我们之前在本专栏中描述过。因此,你可以想象斯皮尔曼的担忧,就在他在德国退休的那一年——他发现自己对过去二十年中最显著的错觉,北冈明佳的旋转蛇 [下图] 视而不见。

大脑上的蛇
当大多数人观看旋转蛇时——神经科学家和工程师豪尔赫·奥特罗-米兰在这里以大脑的形状呈现——他们会感知到错觉运动。遗传学家和画家亚历克斯·弗雷泽以及生物学家金伯利·J·威尔科克斯当时都在辛辛那提大学,他们于 1979 年首次发现了这种类型的错觉运动,当时他们从锯齿状边缘形状的重复螺旋排列中引发了这种效果,这些形状的阴影从浅到深。弗雷泽和威尔科克斯的错觉远不如 20 多年后由北冈明佳开发的旋转蛇有效,但它确实催生了许多相关的错觉。这种感知现象家族的特征是周期性地放置特定亮度的彩色或灰度色块。2005 年,当时的哈佛医学院神经科学家贝维尔·R·康威和他的同事表明,北冈的错觉布局激活了视觉皮层中对运动敏感的神经元,为我们大多数人感知旋转提供了神经基础:我们看到蛇在旋转,因为我们的视觉神经元反应就好像我们处于实际运动中一样。 

在我们自己与奥特罗-米兰(现在是约翰·霍普金斯大学的博士后研究员)的研究中,我们发现这种旋转的感知与瞬时眼球运动的产生之间存在直接关系,包括眼睑眨眼和称为微眼跳的微小不自主眼球跳动。与年龄相关的眼球运动失败是否可以解释为什么斯皮尔曼和其他老年人难以看到“蛇”旋转?也许是这样。但是,斯皮尔曼仍然能感知到的 Ouchi-Spillmann 错觉似乎也依赖于眼球运动。因此,可能是某些视觉过程,例如运动感知、运动适应或亮度感知,这些过程也容易受到衰老的影响,在一个错觉与另一个错觉中具有不同的参与程度。或者与年龄相关的损失可能反映了眼球运动和视觉缺陷的结合。

图片来源:豪尔赫·奥特罗-米兰

跨年龄段的错觉
在 2009 年的一项研究中,德国吉森尤斯图斯-李比希大学的心理学家尤塔·比里诺、凯·汉堡格和卡尔·格根富特纳使用一系列涉及运动的错觉(包括旋转蛇)测试了 139 名受试者(老年人和年轻人)。他们发现,老年受试者感知的错觉旋转程度低于年轻人,不仅在旋转蛇中,而且在左上方描绘的旋转倾斜线错觉中也是如此。 

要体验这种错觉,请在注视中心区域时前后移动头部(或者,保持头部静止并移动您正在阅读的屏幕或页面)。大多数年轻人会看到错觉运动:环绕中心区域和周围区域旋转。但是皮纳错觉是第一个产生旋转运动效果的错觉(右图),对大多数观察者都有效,无论年龄大小:当您前后移动头部(或图像)时,您会看到内环和外环朝相反方向旋转。 

导致这些各种感知随着年龄增长而变化的原因不仅仅是无法感知错觉运动,而是反映了大脑或视觉系统中正在发生的变化。我们希望这些发现将引导未来的研究,并更细致地掌握我们对真实和错觉运动的感知机制,以及衰老对不同大脑回路的特定神经退行性影响。 

图片来源:来自 Simone Gori 和 Kai Hamburger 在《PERCEPTION》第 35 卷第 6 期;2006 年 6 月发表的“一种新的运动错觉:旋转倾斜线错觉”(旋转倾斜线错觉);来自 Baingio Pinna 和 Gavin J. Brelstaff 在《VISION RESEARCH》第 40 卷第 16 期;2000 年 7 月 1 日发表的“一种新的相对运动视觉错觉”(皮纳错觉)

更多探索

日本光学和几何艺术。 Hajime Ouchi。多佛出版社,1973 年。

错觉运动的感知。 Alex Fraser 和 Kimerly J. Wilcox 在 Nature,第 281 卷,第 565–566 页;1979 年 10 月 18 日。

强大的静态运动错觉的神经基础。 Bevil R. Conway、北冈明佳、Arash Yazdanbakhsh、Christopher C. Pack 和 Margaret S. Livingstone 在 Journal of Neuroscience,第 25 卷,第 23 期,第 5651–5656 页;2005 年 6 月 8 日。

运动错觉感知的年龄效应。 Jutta Billino、Kai Hamburger 和 Karl Gegenfurtner 在 Perception,第 38 卷,第 4 期,第 508–521 页;2009 年。

微眼跳和眨眼触发“旋转蛇”错觉中的错觉旋转。 Jorge Otero-Millan、Stephen L. Macknik 和 Susana Martinez-Conde 在 Journal of Neuroscience,第 32 卷,第 17 期,第 6043–6051 页;2012 年 4 月 25 日。

错觉的神经科学。 Susana Martinez-Conde 和 Stephen L. Macknik 在 大众科学,特刊,第 20 卷,第 13 期,第 4–7 页;2013 年秋季。

斯蒂芬·L·马克尼克是纽约州布鲁克林纽约州立大学下城医学中心的眼科、神经病学、生理学和药理学教授。他与苏珊娜·马丁内斯-康德和桑德拉·布莱克斯利合著了获得普利兹马奖的著作《意识的把戏》。他们即将出版的书籍《错觉的捍卫者》将由《大众科学》/法拉尔、斯特劳斯和吉鲁出版。

更多作者:斯蒂芬·L·马克尼克

苏珊娜·马丁内斯-康德是纽约州布鲁克林纽约州立大学下城健康科学大学的眼科、神经病学、生理学和药理学教授。她是获得普利兹马奖的著作《意识的把戏》的作者之一,与斯蒂芬·马克尼克和桑德拉·布莱克斯利合著,也是《错觉的捍卫者》的作者之一,与斯蒂芬·马克尼克合著。

更多作者:苏珊娜·马丁内斯-康德
SA Mind Vol 27 Issue 1本文最初以“错觉时代”为标题发表于 SA Mind 第 27 卷第 1 期 (),第 18 页
doi:10.1038/scientificamericanmind0116-18
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